电磁兼容基础知识_

精品文档 1欢迎下载 电磁兼容基础知识 近年来铁路机车所用技术迅猛发展 对铁道技术的电磁兼容性要求日益提高 采用了 微处理器的牵引 制动及列车的控制装置以及分布在全列车上的数据总线系统 都更重视 设备的抗干扰性能 随着机车电传动方式由交直向交直交的变迁 机车车辆的牵引和辅助 驱动采用大功率 高电压和高电流上升率以及极高开关频率的现代变流技术 从而提高了 功率部分的干扰电势 此外 机车车辆中设备的安装面积很有限 这一方面迫使控制装置 和功率部分挨得很近 另一方面也使功率部分和通信与信号装置等靠的很近 由此导致了 铁路技术对电磁兼容性有着特殊的要求 目前我司产品涉及到的电磁兼容相关铁标如下 GB T 17626 2 2006 电磁兼容 试验和测量技术静电放电抗扰度试验 GB T 17626 3 2006 电磁兼容 试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验 GB T 17626 4 2008 电磁兼容 试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验 GB T 17626 5 2008 电磁兼容 试验和测量技术 浪涌 冲击 抗扰度试验 GB T 17626 6 2008 电磁兼容 试验和测量技术 射频场感应的传导骚扰抗扰度试验 基于此 特对电磁兼容相关资料进行整合 以期给从事技术及相关工作的同事带来一 些帮助 抛砖引玉 一 名词解释 电磁骚扰 任何可能引起设备 装置或系统性能降低或者有生命或者无生命物质产生 损害作用的电磁现象 电磁兼容 EMC 一个设备或系统在其电磁环境中能正常工作 且不会对其工作环境 中的任何事物产生不可承受的的电磁骚扰的能力 电磁干扰 EMI 电磁骚扰引起的设备 传输通道或系统性能的下降 骚扰抗扰性度 装置 设备或系统面临电磁骚扰不降低运行性能的能力 瞬态 在两相邻稳定状态之间变化的物理量或物理现象 其变化时间小于所关注的时 间尺度 脉冲 在短时间内突变 随后又迅速返回其初始值的物理量 冲激脉冲 针对某给定用途 近似于一单位脉冲或狄拉克函数的脉冲 尖峰脉冲 持续时间较短的单向脉冲 骚扰限值 允许值 对应于规定测量方法的最大电磁骚扰允许电平 干扰限值 允许值 电磁骚扰使装置 设备或系统最大允许的性能降低 差模电压 一组规定的带电导体中任意两根之间的电压 共模电压 每个导体与规定参考点 通常是地或机壳 之间的相电压的平均值 精品文档 2欢迎下载 信噪比 规定条件下测得的有用信号电平与电磁噪声电平之间的比值 电容耦合 又称电场耦合或静电耦合 是由于分布电容的存在而产生的一种耦合方式 耦合是指信号由第一级向第二级传递的过程 一般不加注明时往往是指交流耦合 退耦 防止前后电路网络电流大小变化时 在供电电路中所形成的电流冲击对网络的 正常工作产生影响 消除电路网络之间的寄生耦合 去耦电容 打破系统或电路的端口之间的耦合 以保证正常的操作 旁路电容 在瞬态能量产生的地方为其提供一个到地的低阻抗通路 储能电容 保证在负载快速变到最重时电压不会下跌 二 EMC 问题来源 所有电器和电子设备工作时都会有间歇或连续性电压电流变化 有时变化速率还相当 快 这样会导致在不同频率内或一个频带间产生电磁能量 而相应的电路则会将这种能量 发射到周围的环境中 EMI 有两条途径离开或进入一个电路 辐射和传导 信号辐射是通过外壳的缝 槽 开孔或其他缺口泄漏出去 而信号传导则通过耦合到电源 信号和控制线上离开外壳 在 开放的空间中自由辐射 从而产生干扰 很多 EMI 抑制都采用外壳屏蔽和缝隙屏蔽结合的方式来实现 大多数时候下面这些简 单原则可以有助于实现 EMI 屏蔽 从源头处降低干扰 通过屏蔽 过滤或接地将干扰产生 电路隔离以及增强敏感电路的抗干扰能力等 EMI 抑制性 隔离性和低敏感性应该作为所 有电路设计人员的目标 这些性能在设计阶段的早期就应完成 对设计工程师而言 采用屏蔽材料是一种有效降低 EMI 的方法 如今已有多种外壳屏 蔽材料得到广泛使用 从金属罐 薄金属片和箔带到在导电织物或卷带上喷射涂层及镀层 如导电漆及锌线喷涂等 EMC 设计的目的 自身功能实现 设备内部电路互不干扰 达到预期的功能 对外干扰低 设备产生的电磁干扰强度低于特定的极限值 对内抗扰能力强 设备对外界的干扰具有一定的抵抗能力 EMC 存在的三要素 干扰源 敏感装置 耦合途径 精品文档 3欢迎下载 以上三要素缺一不可 所以我们的 EMC 设计也就是围绕以上三要素而展开 通常采取 的措施有 减少干扰源的强度 切断耦合途径 耦提高设备抗干扰的能力 电磁干扰存在三个巧合 时间巧合 空间巧合 频率巧合 只有三个巧合同时发生 才会产生电磁干扰 所以在产品的实际应用中 电磁干扰存 在随机性 不确定性 注意 低频最怕回路大 高频最怕导线长 注意 低频最怕回路大 高频最怕导线长 三 EMC 常用元件介绍 3 1 共模电感 由于 EMC 所面临解决问题大多是共模干扰 因此共模电感是我们常用的有力元件之一 以下简单介绍一下共模电感的原理及使用情况 共模电感是以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件 它由两个尺寸相同 匝数相同的线 圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上 形成一个四端器件 要对于共模信号呈现出大 电感具有抑制作用 而对于差模信号呈现出很小的漏电感几乎不起作用 原理是流过共模 电流时磁环中的磁通相互叠加 从而具有相当大的电感量 对共模电流起到抑制作用 而 当两线圈流过差模电流时 磁环中的磁通相互抵消 几乎没有电感量 所以差模电流可以 无衰减地通过 因此共模电感在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号 而对线路正常传 输的差模信号无影响 共模电感应满足以下要求 1 绕制在磁芯上的导线要相互绝缘 以保证在瞬时过电压作用下线圈的匝间不发生击 穿短路 2 当线圈流过瞬时大电流时 磁芯不要出现饱和 3 线圈中的磁芯应与线圈绝缘 以防止在瞬时过电压作用下两者之间发生击穿 4 线圈应尽可能绕制单层 这样做可减小线圈的寄生电容 增强线圈对瞬时过电压的 抑制能力 通常情况下 同时注意选择所需滤波的频段 共模阻抗越大越好 因此我们在选择共 模电感时需要看器件资料 主要根据阻抗频率曲线选择 另外选择时注意考虑差模阻抗对 信号的影响 主要关注差模阻抗 特别注意高速端口 3 2 磁珠 精品文档 4欢迎下载 铁氧体材料是铁镁合金或铁镍合金 这种材料具有很高的导磁率 他可以是电感的线 圈绕组之间在高频高阻的情况下产生的电容最小 铁氧体材料通常在高频情况下应用 因 为在低频时他们主要程电感特性 使得线上的损耗很小 在高频情况下 它们主要呈电抗 特性比并且随频率改变 实际应用中 铁氧体材料是作为射频电路的高频衰减器使用的 实际上 铁氧体较好的等效于电阻以及电感的并联 低频下电阻被电感短路 高频下电感 阻抗变得相当高 以至于电流全部通过电阻 铁氧体是一个消耗元件 高频能量在上面转 化为热能 这是由它的电阻特性决定的 铁氧体磁珠与普通的电感相比具有更好的高频滤波特性 铁氧体在高频时呈现电阻性 相当于品质因数很低的电感器 所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗 从而提高 高频滤波效能 在低频段 阻抗由电感的感抗构成 低频时 R 很小 磁芯的磁导率较高 因此电感量 较大 L 起主要作用 电磁干扰被反射而受到抑制 并且这时磁芯的损耗较小 整个器件 是一个低损耗 高 Q 特性的电感 这种电感容易造成谐振因此在低频段 有时可能出现使 用铁氧体磁珠后干扰增强的现象 在高频段 阻抗由电阻成分构成 随着频率升高 磁芯的磁导率降低 导致电感的电 感量减小 感抗成分减小 但是 这时磁芯的损耗增加 电阻成分增加 导致总的阻抗增加 当高频信号通过铁氧体时 电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉 铁氧体抑制元件广泛应用于印制电路板 电源线和数据线上 如在印制板的电源线入 口端加上铁氧体抑制元件 就可以滤除高频干扰 铁氧体磁环或磁珠专用于抑制信号线 电源线上的高频干扰和尖峰干扰 它也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力 使用片式磁珠还是片式电感主要还在于实际应用场合 在谐振电路中需要使用片式电 感 而需要消除不需要的 EMI 噪声时 使用片式磁珠是最佳的选择 片式电感 射频 RF 和无线通讯 信息技术设备 雷达检波器 汽车电子 蜂窝电话 寻呼机 音频设 备 PDAs 个人数字助理 无线遥控系统以及低压供电模块等 片式磁珠 时钟发生电 路 模拟电路和数字电路之间的滤波 I O 输入 输出内部连接器 比如串口 并口 键盘 鼠标 长途电信 本地局域网 射频 RF 电路和易受干扰的逻辑设备之间 供电电路 中滤除高频传导干扰 计算机 打印机 录像机 电视系统和手提电话中的 EMI 噪声抑止 磁珠的单位是欧姆 因为磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的 阻抗 的单位也是欧姆 磁珠的 DATASHEET 上一般会提供频率和阻抗的特性曲线图 一般以 100MHz 为标准 比如是在 100MHz 频率的时候磁珠的阻抗相当于 1000 欧姆 针对我们所要 滤波的频段需要选取磁珠阻抗越大越好 通常情况下选取 600 欧姆阻抗以上的 另外选择 磁珠时需要注意磁珠的通流量 一般需要降额 80 处理 用在电源电路时要考虑直流阻抗 对压降影响 精品文档 5欢迎下载 3 3 压敏电阻 压敏电阻是一种限压型保护器件 利用压敏电阻的非线性特性 当过电压出现在压敏 电阻的两极间 压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值 从而实现对后级电路 的保护 压敏电阻的主要参数有 压敏电压 通流容量 结电容 响应时间等 压敏电阻的响应时间为 ns 级 比空气放电管快 比 TVS 管稍慢一些 一般情况下用于 电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求 压敏电阻主要可用于直流电源 交流电源 低频信号线路 带馈电的天馈线路 压敏 电阻的失效模式主要是短路 当通过的过电流太大时 也可能造成阀片被炸裂而开路 压 敏电阻使用寿命较短 多次冲击后性能会下降 因此由压敏电阻构成的防雷器长时间使用 后存在维护及更换的问题 3 4 TVS 管 TVS 是一种新型高效电路保护器件 它具有极快的响应时间 亚纳秒级 和相当高的浪 涌吸收能力 当它的两端经受瞬间的高能量冲击时 TVS 能以极高的速度把两端间的阻抗 值由高阻抗变为低阻抗 以吸收一个瞬间大电流 从而把它的两端电压钳制在一个预定的 数值上 从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击 正因为如此 TVS 可用 于保护设备或电路免受静电 电感性负载切换时产生的瞬变电压 以及感应雷所产生的过 电压 TVS 管是瞬态电压抑制器 Transient Voltage Suppressor 的简称 它的特点是 响应速度特别快 为 ps 级 耐浪涌冲击能力较放电管和压敏电阻差 其 10 1000 s 波 脉冲功率从 400W 30KW 脉冲峰值电流从 0 52A 544A 击穿电压有从 6 8V 550V 的系列 值 便于各种不同电压的电路使用 TVS 管有单向与双向之分 单向的型号后面的字母为 A 双向的为 CA 单向 TVS 管的特性与稳压二极管 TVS 管使用时 一般并联在被保护电路上 为了限制流过 TVS 管的电流不超过管子允许通过的峰值电流 IPP 应在线路上串联限流元件 如电阻 自恢 复保险丝 电感等 相似 双向 TVS 管的特性相当于两个稳压二极管反向串联 TVS 管与压敏电阻对比 共同点 TVS 管 压敏电阻不具有开关特性 而都具有稳压特性 不同点 从反应速度来看 TVS 管的反应速度很快 为 ps 级 而压敏电阻反应速度较慢 为 ns 级 TVS 管的可靠性高 不易劣化 使用寿命长 而压敏电阻的可靠性较差 易老化 使用寿命较短 压敏电阻钳制电压高 成本低 而 TVS 钳制电压比较低 但价格较高 精品文档 6欢迎下载 四 特殊器件的布局 4 1 电源部分 在分散供电的单板上都要一个或多个 DC DC 电源模块 加上与之相关的电路 如滤波 防护等电路共同构成单板电源输入部分 现代的开关电源是 EMI 产生的重要源头 干扰频带可以达到 300MHz 以上 系统中多个 单板都有自己独立的电源 但干扰却能通过背板或空间传播到其他的单板上 而单板供电 线路越长 产生的问题越大 所以电源部分必须安装在单板电源入口处 如果存在大面积 的电源部分 也要求统一放在单板一侧 下面是一个比较好的放置方法 也是大多数单板 所采用的方法 电源部分放置方向主要是考虑输入输出线顺畅 避免交叉 另外 因为往往单板的电源部分相对比较独立 而又常常会产生 EMI 的问题 所以推 荐利用过孔带或分割线将电源部分和其他电路部分进行隔离 见下图 精品文档 7欢迎下载 4 2 时钟部分 时钟往往是单板最大的干扰源 也是进行 PCB 设计时最需要特殊处理的地方 布局时 一方面要使时钟源离单板四角 尤其是螺钉安装孔 距离尽量大 另一方面要使时钟输出 到负载的走线尽量短 多层板时 要优先考虑布内层 并进行必要的匹配 屏蔽等处理 4 3 电感线圈 线圈 包括继电器 是最有效的接受和发射磁场的器件 在继电器选型时应尽量考虑 采用固态继电器 建议线圈放置在离 EMI 远尽量远的地方 这些发射源可能是开关电源 时钟输出 总线驱动等 线圈下方 PCB 板上不能有高速走线或敏感的控制线 如果不能避免 就一定要考虑线 圈的方向问题 要使场强方向和线圈的平面平行 保证穿过线圈的磁力线最少 4 4 滤波器件 滤波措施是必不可少也是最常用的对策手段 原理设计中经常是注意到了很多的滤波 措施 比如去耦电容 磁珠 电源滤波 接口滤波等 但在进行 PCB 设计时 如果滤波器 件的位置放置不当 那么滤波效果将大打折扣 甚至起不到滤波作用 滤波器件安装一般考虑的是就近原则 比如 去耦电容要尽量靠近 IC 的电源管脚 电源滤波要尽量靠近电源输入或电源输出 局部功能模块的滤波要靠近模块的入口 对外接口的滤波 如磁珠等 要尽量靠近接插件 下图为范例 精品文档 8欢迎下载 五 滤波电路 在 EMC 设计中 滤波的作用基本上是衰减高频噪声 所以滤波器通常都设计为低通滤 波器 滤波电路的典型结构形式如下图所示 精品文档 9欢迎下载 图 低通滤波器的结构形式 图 a 所示为电感滤波器 适用于高频时源阻抗和负载阻抗较小的场合 图 b 所示为电容滤波器 适用于高频时源阻抗和负载阻抗较大的场合 图 c 和 d 所示为 型滤波器 前者适用于高频时源阻抗较小 负载阻抗较大的 场合 后者适用于高频时源阻抗较大 负载阻抗较小的场合 图 e 所示为 型滤波器 适用于高频时源阻抗和负载阻抗较大的场合 图 f 所示为 T 型滤波器 适用于高频时源阻抗和负载阻抗较小的场合 下图为经典电源 EMI 滤波器电路 其中 L 为共模电感 Cx 为 X 电容 抑制差模干扰 Cy 为 Y 电容 抑制共模干扰 六 常见问题 6 1 有的电阻标值为 0 欧姆 这种电阻起什么作用呢 1 在电路中没有任何功能 只是在 PCB 上为了调试方便或兼容设计等原因 2 可以做跳线用 如果某段线路不用 直接不贴该电阻即可 不影响外观 3 在匹配电路参数不确定的时候 以 0 欧姆代替 实际调试的时候 确定参数 再以 具体数值的元件代替 4 想测某部分电路的耗电流的时候 可以去掉 0 欧姆电阻 接上电流表 这样方便测 耗电流 5 在布线时 如果实在布不过去了 也可以加一个 0 欧的电阻 精品文档 10欢迎下载 6 在高频信号下 充当电感或电容 电感用 主要是解决 EMC 问题 如地与地 电源 和 IC Pin 间 7 单点接地 指保护接地 工作接地 直